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用于电磁干扰抑制的片式元件(一)

   2010-06-27 《磁性元件与电源》钱振宇3710


4.4 片式共模电感器
在电子设备中,我们要抑制的电磁干扰无非是出现在信号线和电源线上的干扰,因此对于电磁兼容对策器件中的电感器,特别是片式电感器的适用形式也是从这两方面来分析。

4.4.1 信号线的滤波
我们对信号线的滤波主要是对付来自空间的干扰问题(包括从空间进入设备的干扰,和设备向空间发射的骚扰),信号线在这里起了被动天线(接收和发射两种天线)的作用,这说明信号线是电磁兼容的薄弱环节。由于从空间进入信号线的干扰(包括辐射、电磁感应和电容耦合)主要是共模的。基于这一原因,对于非屏蔽的信号线端口应当安装信号线滤波器(安装在信号线进出的交界面上),主要滤除频率相当高一些共模干扰信号。

4.4.2 电源线的滤波
在设备的电磁干扰传播途径中,电源线是最重要的媒介,因为电源线的长度(包括设备的电源进线和电力传输的架空线延伸)足以构成射频信号的被动天线。此外,电网内的各种设备开、关和运行中形成的干扰也在电网中肆意流传。上述干扰对电网内敏感设备的工作造成了威胁。射频信号在电源线上的传输是以两种模式进行的,一种是共模型式,在线—大地及中线—大地两个路径上出现;另一种是差模型式,在线—中线里传播。
电源线滤波器则被安插在电源线上,专门用来抑制射频信号传播的器件。电源线滤波器设计中往往不用差模电感,而采用共模电感。共模电感的两个线圈绕在同一磁芯上(同名端在线圈的同一侧),这种绕线方法对于差模电流(包括电源电流)产生的磁通相互抵消,不会产生磁路饱和;而对共模电流则体现一个很大的电感,取得大的滤波效果。要指出的是,共模电感器的两个线圈绕制不可能完全对称,因此共模电感器实际上还是残留一定程度的差模电感成分,对于差模干扰仍有一定程度抑制作用。
这样看来,无论是信号线或者是电源线,从抑制电磁干扰的角度出发,用得最多的还是共模抑制措施。因此,片式电感器用得最多的还是片式共模电感器。另外,电磁兼容对策器件生产商提供的电感器主要也是片式共模电感器。

4.4 片式共模电感器举例
以村田的片式共模电感为例,其中:
DLP S和DLP D系列薄膜型片式共模电感,共模阻抗为67~550Ω,在一个元件中含有一个双路工作的共模电感。可在不造成高速信号传输失真情况下实现差分信号的噪声抑制。

DLW21S 和DLW21H系列绕线型片式共模电感,共模阻抗为67~370Ω,可匹配阻抗为100Ω的线路;可以在不造成高速信号传输失真情况下实现差分信号的噪声抑制;小尺寸更实现了高密度装配。
还有一种DLW31S系列绕线型片式共模电感,共模阻抗为90~2200Ω,在高频时的高共模阻抗对噪声有极好的抑制功能。

上述共模电感被用于USB 2.0、IEEE1934、LVDS、 DVI、HDMI的高速差分信号线的共模噪声抑制。应用的产品有移动电话、笔记本电脑、数码相机、数码录像机、打印机、扫描仪、LED显示器、游戏机和电脑外围设备等。

DLM G系列叠层共模电感,可以同时实现共模和差模噪声的抑制。在100MHz时的共模阻抗为600Ω,差模阻抗为1200Ω。可采取高密度安装(窄中心距),用于个人移动通信设备(如移动电话的麦克风、扬声器和耳机),以及个人移动设备(如PDA、数码相机、MD播放机)的噪声抑制。

另一种,DLM2HG叠层共模电感,在100MHz时的共模阻抗为600Ω,内部含有三根连接线,可用于高品质的数字音乐设备的耳机线。特点是音频信号失真低,串音低,对共模和差模噪声均有抑制能力。用于DVD、MD播放机、笔记本电脑和PDA的耳机线。

DLW5AH/5BS系列高性能绕线型片式共模电感,其外形尺寸为5.0×5.0×4.5mm,共模阻抗达到190~4000Ω,通过电流为200mA~5A。由于100MHz时的共模阻抗最大值可达到4000Ω,实现了大的噪声抑制。另外,由于最大通过电流可达5A,非常适合于在电源线上使用。可用于便携设备的AC适配器中的直流电源线。
还有一种DLW5BT系列绕线型片式共模电感为薄型结构,外形尺寸为5.0×5.0×2.5mm。在100MHz时的共模阻抗最大值可达1400Ω,最大通过电流可达6A。尤其适合于DC-DC转换器、电池充电器等电源设备使用。

5 片式电容器

为了满足电子设备的整机向小型化、大容量化、高可靠性和低成本方向发展的需要,片式电容也在迅速地发展:种类不断增加,体积不断缩小,性能不断提高,技术不断进步,材料不断更新,轻薄短小系列产品已趋向于标准化和通用化。此外,为了适应线路高度集成化的要求,多功能复合片式电容器正成为技术研究热点。 

5.1 片式叠层陶瓷介质电容器
在片式电容器里用得最多的要数片式叠层陶瓷介质电容器(MLCC)了。
片式叠层陶瓷电容器,简称片式叠层电容器(或进一步简称为片式电容器),是由印好电极(内电极)的陶瓷介质膜片以错位的方式叠合起来,经过一次性高温烧结形成陶瓷芯片,再在芯片的两端封上金属层(外电极),形成独石结构,故也叫独石电容器,如图8所示。

图8表明,片式叠层陶瓷电容器是一个多层叠合的结构,其实质是多个简单平行板电容器的并联体。因此,该电容器的电容量计算公式为
C=NKA/t
式中,C为电容量;N为电极层数;K为介电常数(俗称K值);A为相对电极覆盖面积;t 为电极间距(介质厚度)。
由此式可见,为了实现片式叠层陶瓷电容器大容量和小体积的要求。只要增大N(增加层数)便可增大电容量。当然采用高K值材料(降低稳定性能)、增加A(增大体积)和减小t(降低电压耐受能力)也是可以采取别的办法。

其中介电常数K,取决于电容器中填充的陶瓷介质材料。电容器使用的环境温度、工作电压、工作频率以及长期工作的稳定性等对不同的介质会有不同的影响。通常介电常数(K值)越大,则稳定性、可靠性和耐用性便越差。

目前最常用的多层陶瓷电容器介质有三个类型:COG或NPO是超稳定材料,K值为10~100;X7R是较稳定的材料,K值为2000~4000;Y5V或Z5U为一般用途的材料,K值为5000~25000。

上述材料中,COG和NPO为超稳定材料,在-55℃~+125℃范围内电容器的容量变化不超过±30ppm/℃。
其余材料是按其工作温度的范围和电容量的变化率来命名的。详见表1:
表 1

常用的介质材料中:
X7R代表使用温度范围为-50℃至+125℃;此范围内的电容量变化可达到±15%。
Z5U代表使用温度范围为+10℃至+85℃;此范围内的电容量变化从-56%至+22%。
Y5V代表使用温度范围为-30℃至+85℃;此范围内的电容量变化从-82%至+22%。
这些关系表明,对片式电容器选择不能一味只考虑体积和价格,如果有使用环境温度问题,还应当注意电容器的介质带来的电容量变化问题。图9画出了不同材质电容器电容量以及介质损耗随温度变化的曲线。
 
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